ITALIANO

1) Raffreddamento delle apparecchiature elettroniche.
2) Richiami di nozioni sulla trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento.
3) Utilizzo del codice Ansys-Fluent per l’analisi ed ottimizzazione termica di apparecchiature elettronici.
4) Tecniche di controllo termico delle apparecchiature elettroniche: Alette e sistemi alettati, Getti impingenti, Scambiatori compatti e piastra fredda
5) Cenni sulle schiume metalliche, mezzi porosi, materiali a cambiamento di fase (PCM) e nanofluidi

Y. A. Cengel, Termodinamica e trasmissione del calore, 3a edizione, McGraw-Hill, 2009.
L. T. Yeh, R. C. Chu, Thermal Management of Microelectronic Equipment, ASME PRESS, New York, 2002.
Dispense fornite dal docente

Il corso si propone di fornire agli allievi, dei corsi di laurea in Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, le nozioni di trasmissione del calore e all’uso di un codice specialistico per l’analisi di problemi di controllo termico dei sistemi elettronici.

Conoscenza dei principi della termodinamica applicata e della trasmissione del calore

Didattica tradizionale. Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche.

Discussione di un elaborato sviluppato da parte degli allievi organizzati in gruppi ed a seguire un colloquio orale.

Il programma del corso è articolato come segue:

Il raffreddamento delle apparecchiature elettroniche: ruolo del controllo della temperatura nella progettazione e nel funzionamento delle apparecchiature elettroniche, realizzazione di efficaci vie di fuga della potenza termica dai componenti elettronici all’ambiente circostante; tecniche di raffreddamento comunemente usate nelle apparecchiature elettroniche. Introduzione e cenni storici.

Richiami dei principi fondamentali della trasmissione del calore: Conduzione, convezione, irraggiamento e meccanismi combinati. Resistenze in serie e in parallelo. Equazione della conduzione termica: problemi di conduzione multidimensionali, regime transitorio, condizioni al contorno ed iniziali. Equazione della conduzione termica:

Struttura del codice Ansys-Fluent
Introduzione ai moduli di Ansys fluent per l’analisi di problemi termofluidodinamici: Modulo CAD Design Modeler, Modulo Mesh , Modulo Fluent solve.
Introduzione alla modellazione numerica del problema termo-fluidodinamico, analisi del dominio di calcolo, analisi della sensibilità della soluzione numerica dalla griglia di calcolo e validazione dei risultati. Analisi dei risultati.
Simulazioni numeriche di problemi inerenti al raffreddamento delle apparecchiature elettroniche.
Il raffreddamento per conduzione; la trasmissione del calore per conduzione all’interno del supporto dei chip; la trasmissione del calore per conduzione nelle schede a circuito stampato; i telai termici; il raffreddamento ad aria: la convenzione naturale e l’irraggiamento; il raffreddamento ad aria: la convenzione forzata; scelta del ventilatore; il raffreddamento dei personal computer; i tubi di calore; il funzionamento dei tubi di calore; la costruzione di un tubo di calore.
Alette e sistemi alettati; equazione per l'aletta circolare; campo di temperatura per aletta indefinita, finita a punta adiabatica e punta che scambia; potenza termica scambiata da un'aletta; rendimento di un'aletta e di un sistema alettato; valutazione di un dissipatore per componenti elettronici e criteri di scelta. Sistemi di canali in convezione naturale e forzata; dimensionamento e criteri di ottimizzazione termica. Resistenze termiche di contatto; valutazione con diagrammi e tabelle delle resistenze termiche di contatto.
Getti impingenti; descrizione fenomenologica di un getto impingente su una superficie calda; regimi di moto; correlazioni; correlazioni.

Scambiatori compatti e piastra fredda; valutazione delle perdite di carico e delle conduttanze termiche unitarie; correlazioni; progettazione di una piastra calda per il raffreddamento si una scheda elettronica.
Tecniche avanzate per il raffreddamento dei sistemi elettronici: cenni sulle schiume metalliche, mezzi porosi, nanofluidi e materiali a cambiamento di fase (PCM)

Italian

1) Cooling of electronic equipment
2) Overview of heat transfer
3) Thermal control techniques; Fins and finned systems, Jet impingement cooling
Compact exchangers and cold plate.
4) Numerical analysis of thermal problems by using Ansys-Fluent code.
5) Advanced thermal control techniques; heat and mass transfer in porous medium, metal foams, phase change material (PCM) and nanofluids

Y. A. Cengel, Heat and Mass Transfer, A Practical Approach, 3rd edition, McGraw-Hill, 2006.
L. T. Yeh, R. C. Chu, Thermal Management of Microelectronic Equipment, ASME PRESS, New York, 2002.
Notes provided by the teacher

The course aims to provide students of the degree courses in Aerospace and Mechanical Engineering with the basic concepts of heat and mass transfer for thermal design of electronic systems.

Knowledge of the concepts of Thermodynamic and Heat Transfer

Traditional: lectures and exercises.

The final exam consists of a numerical project developed by students organized in groups and an interview.

Cooling of electronic equipment: The importance of temperature control in the design and operation of electronic equipment, effective heat transfer paths from electronic components to the surrounding environment; cooling techniques commonly used in electronic equipment. Introduction and history.

Manufacturing of Electronic equipment. the Chip Carrier; Printed Circuit Boards (PCB); the enclosure; cooling load of electronic equipment; thermal environment; electronics cooling in different applications; conduction cooling; Conduction in Chip Carriers; Conduction in Printed Circuit Boards; heat frames; air cooling: natural convection and radiation; air cooling: forced convection; fan selection; cooling personal computer; liquid cooling; immersion cooling; heat pipes; the operation of a heat pipe; the construction of the a heat pipe.
Introduction of Ansys-Fluent modules: Design Modeler, Mesh and Fluent modules.
Overview of physical models in Ansys - Fluent code. Verification and validation of a numerical solution. Grid analysis, Analysis of the results.

Fins and finned systems; heat conduction equation of a cylindrical fin; temperature field and heat transfer rates of an infinitely long fin, temperature field and heat transfer rates of fin with finite length at different tip condition: adiabatic tip, fixed temperature tip, heat loss at the tip; efficiency and effectiveness of fin; overall effectiveness of a finned surface; Selection criteria for a heat sink for electronic components. Natural and forced convection flows in channel systems; sizing and thermal optimization criteria. Thermal contact resistances; evaluation with diagrams and tables of the thermal contact resistances.

Jet impingement cooling: Phenomenological description of impinging jet on a hot plate; flow regimes; heat transfer correlations.

Compact exchangers and cold plate; Types of Heat Exchangers: estimated overall heat transfer coefficient and friction loss: correlations; cold plate design for electronic Cooling of electronic equipment: The importance of temperature control in the design and operation of electronic equipment, effective heat transfer paths from electronic components to the surrounding environment; cooling techniques commonly used in electronic equipment. Introduction and history.

Manufacturing of Electronic equipment. the Chip Carrier; Printed Circuit Boards (PCB); the enclosure; cooling load of electronic equipment; thermal environment; electronics cooling in different applications; conduction cooling; Conduction in Chip Carriers; Conduction in Printed Circuit Boards; heat frames; the thermal conduction module; air cooling: natural convection and radiation; air cooling: forced convection; fan selection; cooling personal computer; liquid cooling; immersion cooling; heat pipes; the operation of a heat pipe; the construction of the a heat pipe.

Introduction of Ansys-Fluent modules:
Design Modeler, Mesh and Fluent modules.
Overview of physical models in Ansys - Fluent code.
Verification and validation of a numerical solution. Grid analysis, Analysis of the results.
Fins and finned systems; heat conduction equation of a cylindrical fin; temperature field and heat transfer rates of an infinitely long fin, temperature field and heat transfer rates of fin with finite length at different tip condition: adiabatic tip, fixed temperature tip, heat loss at the tip; efficiency and effectiveness of fin; overall effectiveness of a finned surface; Selection criteria for a heat sink for electronic components. Natural and forced convection flows in channel systems; sizing and thermal optimization criteria. Thermal contact resistances; evaluation with diagrams and tables of the thermal contact resistances.

boiling and condensation; boiling regimes and the boiling curve; nucleate boiling; incipient boiling near a wall; heat transfer correlations in pool boiling; maximum (or critical) and minimum heat flux correlation; Effect of various parameters on the boiling process, notes on forced flow boiling; condensation heat transfer, film condensation, dropwise condensation; enhancement of heat transfer in flow boiling; heat transfer correlations in flow boiling.

Jet impingement cooling: Phenomenological description of impinging jet on a hot plate; flow regimes; heat transfer correlations; heat transfer by droplets; droplets impingement on heated surfaces; heat transfer correlations.

Compact exchangers and cold plate; Types of Heat Exchangers: estimated overall heat transfer coefficient and friction loss: correlations; cold plate design for electronic cooling.

Advanced thermal control techniques; heat and mass transfer in porous medium, metal foams, phase change material and with nanofluids.